周樹德,賀耀文,劉鵬飛,陳長科

(新疆眾和股份有限公司,新疆 烏魯木齊 830000)

雙零鋁箔的生產(chǎn)技術(shù)在我國已經(jīng)有近40年歷史,并形成了以1235鋁合金和8079鋁合金為代表的雙零箔產(chǎn)品和生產(chǎn)技術(shù)體系。當(dāng)前鋁箔產(chǎn)品的高精度和高力學(xué)性能的趨勢越來越明顯,在液體軟包裝、高端電容器和新能源電池等高端領(lǐng)域鋁箔企業(yè)迎來機(jī)遇。而作為液體軟包材料的8079鋁合金雙零箔是目前新能源電池鋁箔產(chǎn)業(yè)的配套產(chǎn)品,本身存在廣闊的市場需求和較高的利潤[1]。隨著市場對8079鋁合金雙零鋁箔需求不斷擴(kuò)大,對其質(zhì)量提出了更高的要求。目前生產(chǎn)8079鋁合金雙零鋁箔主要存在表面質(zhì)量(白道、暗道)和針孔等問題,嚴(yán)重降低了產(chǎn)品性能。針對這些問題,簡要說明了合金成分對鋁箔力學(xué)性能的影響,并對成分、組織均勻性、表面質(zhì)量的工藝控制要點(diǎn)以及熔體凈化進(jìn)行了分析討論,為生產(chǎn)高質(zhì)量的8079鋁合金雙零鋁箔提供參考。

1 8079鋁合金雙零箔生產(chǎn)工藝流程

當(dāng)前國內(nèi)8079鋁合金雙零箔生產(chǎn)所用坯料有熱軋坯料和鑄軋坯料兩種。采用熱軋坯料生產(chǎn)8079鋁合金雙零鋁箔的工藝流程:

熔煉與扁鑄錠鑄造→銑面→均勻化退火→熱粗軋→熱精軋(高溫時(shí)效)→冷軋→中間退火 →冷軋→箔軋(粗+中)→合卷→疊軋→分切→成品退火→檢測包裝。

采用鑄軋坯料生產(chǎn)鋁合金雙零箔的工藝具有能源消耗少、成品強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn),目前成為國內(nèi)主流的生產(chǎn)工藝[2]。采用鑄軋坯料生產(chǎn)8079鋁合金雙零鋁箔的工藝流程:

熔煉→鑄軋→冷軋→均勻化退火→切邊→冷軋→中間退火→冷軋→箔軋(粗+中)→合卷→疊軋→分切→成品退火→檢測包裝。

2 鑄軋坯料生產(chǎn)8079鋁合金雙零箔工藝

國內(nèi)外主要用1235鋁合金和8079鋁合金生產(chǎn)雙零鋁箔。二者鑄軋工藝相同,主要差別在于熱處理溫度、坯料厚度及各個(gè)道次的加工率分配等細(xì)節(jié)問題。

對8079鋁合金雙零箔而言,國內(nèi)的8079鋁合金鋁箔坯料厚度有0.36 mm,也有0.24 mm甚至更薄一點(diǎn)的,以國內(nèi)最常使用的0.24 mm厚8079H14鋁箔坯料為例進(jìn)行生產(chǎn)工藝(圖1)說明。0.24 mm厚8079H14鋁箔坯料力學(xué)性能要求:抗拉強(qiáng)度大于130 MPa,伸長率大于3.0%。

圖1 雙零箔坯料生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Production process of double-zero foil stock

依照成品軋制前合卷方式的不同,8079鋁合金雙零箔的軋制工藝流程如圖2所示。對0.24 mm厚8079H14鋁合金雙零箔坯料而言,當(dāng)前主流的雙零箔加工基本采用四道次軋制工藝,單道次加工率55%～60%;如果加工設(shè)備能力較弱,可以采用5道次工藝。

圖2 雙零箔軋制工藝流程Fig.2 Rolling process flow of double-zero foil

對厚度為7 μm的8079鋁合金雙零箔,要求其抗拉強(qiáng)度基本都在80 MPa～100 MPa,伸長率大于1.0%。

3 用鑄軋坯料生產(chǎn)8079鋁合金雙零箔控制要點(diǎn)

3.1 8079鋁合金成分和力學(xué)性能

依照國標(biāo)控制要求看,8079鋁合金與1235鋁合金對很多元素的控制要求都不同,但是在實(shí)際控制上,8079鋁合金和1235鋁合金在化學(xué)成分的最大差異是Fe含量的不同,其他化學(xué)元素的含量與1235鋁合金相同。

通常情況下較高的合金元素含量會降低材料的塑性,容易產(chǎn)生針孔等缺陷,不利于生產(chǎn)較薄的鋁箔;合金元素含量較低的鋁箔具有較高的延展性,較低的抗拉強(qiáng)度;但合金元素含量過低的鋁箔軋制時(shí)容易產(chǎn)生粘輥現(xiàn)象,并且易形成針孔。如表2所示,對同樣6 μm～7 μm厚的雙零箔而言,8079鋁合金箔伸長率及抗拉強(qiáng)度明顯高于1235鋁合金箔的。因?yàn)镕e可以在強(qiáng)化合金同時(shí)細(xì)化晶粒,使8079鋁合金箔的抗拉強(qiáng)度和伸長率均優(yōu)于1235鋁合金[3]。

表1 生產(chǎn)雙零箔用鋁合金鑄錠的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of aluminum alloy ingot (8079/1235) used for producing double-zero foil (wt/%)

表2 1235鋁合金和8079鋁合金箔力學(xué)性能對比[3]Table 2 Mechanical property comparison of aluminum alloy foil 1235 and 8079

因?yàn)閺?qiáng)度和伸長率差異的影響,市場上有用8079鋁合金取代1235鋁合金的趨勢。國內(nèi)市場對8079鋁合金箔需求在逐漸擴(kuò)大,需要性能更高的鋁箔才能滿足其使用要求[3]。

3.2 8079鋁合金成分均勻性

相較于1235鋁合金,合金元素含量高的8079鋁合金容易產(chǎn)生成分不均。8079鋁合金成分均勻化控制的核心在鑄軋環(huán)節(jié):

1)嚴(yán)格控制廢料回配比例。原則上8079鋁合金的回配料總比例不宜大于20%;

2)對熔煉中的攪拌進(jìn)行有效控制?？紤]到人員因操作條件、技能、體力或勞動態(tài)度等原因帶來的不確定性,可以采用電磁攪拌器、永磁攪拌器等以自主控制為主的磁力攪拌技術(shù)。攪拌的感應(yīng)器置于熔鋁爐底部,注意控制鋁熔體不要超過750 ℃,提高攪拌效率,縮短攪拌時(shí)間。

3.3 8079鋁合金組織均勻性

對于高合金化的8079鋁合金雙零箔產(chǎn)品,生產(chǎn)工藝不同,鋁箔內(nèi)部顯微組織、第二相化合物等會發(fā)生變化。鑄軋組織的均勻化情況,不僅對材料的性能穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響[4],還會對雙零箔軋制時(shí)的表面質(zhì)量(白道、暗道)和針孔等造成直接影響[5]。具體的工藝控制核心主要集中在如下幾個(gè)方面:

1)雖然目前用在鑄軋生產(chǎn)的晶粒細(xì)化劑的種類很多,至少有Al-Ti、Al-Ti-C、Al-Ti-B及Al-Ti-B0.2等多種類型,但是依照業(yè)內(nèi)的反饋來看,Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑仍是最有效實(shí)用的細(xì)化劑;

2)通過控制細(xì)化劑質(zhì)量,細(xì)化質(zhì)點(diǎn)的尺寸、形狀和分布來提高細(xì)化效果,對Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑而言,基本要求是保證細(xì)化劑晶粒度不大于2級。與晶粒度大于2級的細(xì)化劑相比較,使用晶粒度為1級的細(xì)化劑,鋁合金組織控制效果更好,也更為穩(wěn)定;

3)晶粒細(xì)化劑存在明顯的時(shí)效性:時(shí)間越長,TiB2質(zhì)點(diǎn)的聚集傾向越大。在熔體中加入的TiAl3在8 min～10 min形核效果最好,30 min后細(xì)化效果衰退。與合金化程度較低的1235鋁合金不同,8079鋁合金鑄軋時(shí)晶粒細(xì)化劑在線加入的方式通常采用雙絲喂入法,這種方法在提高了晶粒細(xì)化效果同時(shí),能有效地解決晶粒細(xì)化劑沉積所帶來的各種問題。另外,有些采用熱鑄軋坯料生產(chǎn)8079鋁合金雙零箔的企業(yè),為了更好地控制板錠起鑄端的組織,除了在開始鑄造時(shí)增大晶粒細(xì)化劑的加入量外,還會在結(jié)晶器底部預(yù)鋪細(xì)化劑,后者更為有效。

3.4 8079鋁合金力學(xué)性能

在成分確定之后,影響8079鋁合金力學(xué)性能及其穩(wěn)定性的因素是鑄軋時(shí)的組織控制(重點(diǎn)是第二相的尺寸和分布)和冷加工過程的熱處理。

1)第二相化合物控制

實(shí)際生產(chǎn)的雙零鋁箔鑄軋坯料,第二相種類可能有很多種,這主要與w(Fe)/w(Si)值及合金元素含量有關(guān)。第二相化合物主要有α(AlFeSi)相、β(AlFeSi)相和θ(Al3Fe)相。8079鋁合金合金元素含量高容易導(dǎo)致鑄軋板第二相化合物分布不均勻,在表層為少而細(xì)小的顆粒狀,中間為多而粗大線狀和絮狀。這種情況并不少見,單純的依照冷軋很難消除這種不均勻性,還需要通過后繼的熱處理工序進(jìn)行補(bǔ)償。對8079鋁合金雙零箔鑄軋坯料而言,在保證鑄軋板晶粒度1級并且中心線偏析不明顯的基礎(chǔ)上,應(yīng)確保小于5 μm的第二相組織占比超過70%。圖3為8079鋁箔TEM顯微組織。在退火溫度為250 ℃6 h時(shí)(圖3a),主要有三種第二相,A為圓棒狀粒子,是析出的βb(AlFeSi)相;B為較大的塊狀粒子,為β(AlFeSi)相;C為細(xì)小的圓形顆粒,為α(AlFeSi)相。退火工藝為350 ℃6 h時(shí),α(AlFeSi)相沿位錯線析出,同時(shí)粗大的β(AlFeSi)相向細(xì)小的“花絮”狀α(AlFeSi)相轉(zhuǎn)變,在軋制過程中,α(AlFeSi)會隨著基體流動而分散開來,離散分布在基體上,提高了鋁箔的軋制性能[6]。

圖3 8079鋁箔的TEM退火態(tài)顯微組織[6]Fig.3 TEM images of the annealed 8079 aluminium foil

2)熱處理工藝與性能控制

8079鋁合金的力學(xué)性能比1235鋁合金的高。在成分及鑄軋組織一定的情況下,為了確保8079鋁合金雙零箔在高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上獲得高的延伸性能,在進(jìn)行熱處理工藝設(shè)計(jì)時(shí),主要考慮以下要點(diǎn):

8079鋁合金雙零箔坯料從進(jìn)入冷軋開始主要經(jīng)過三次退火,除成品退火外,在中間的冷軋過程中有兩次退火,這三次退火的設(shè)計(jì)原則如下:原則上在鑄軋板冷軋一個(gè)道次后進(jìn)行第一次均勻化退火,退火工藝按完全再結(jié)晶工藝進(jìn)行設(shè)計(jì),但是需要適當(dāng)降低最高溫度，將毛料退火性能控制到O態(tài)偏H22的一個(gè)適當(dāng)水平,目的是在實(shí)現(xiàn)組織均勻化的同時(shí),保留適當(dāng)?shù)牟牧霞庸?qiáng)度,以便于最終能夠提高成品的退火溫度,獲得力學(xué)性能更高的鋁箔;第二次退火原則與第一次相似,退火溫度應(yīng)保證鋁箔軋制到成品厚度時(shí)的硬態(tài)強(qiáng)度大于180 MPa。成品退火以不出現(xiàn)退火起皺為原則,適當(dāng)提高退火溫度。圖4為0.04 mm厚8079鋁合金箔在不同溫度退火6 h后的SEM組織。退火溫度在400 ℃時(shí),70%的第二相尺寸在1 μm～3 μm之間,細(xì)化了第二相尺寸,有利于8079鋁合金箔后續(xù)的軋制,提高了8079鋁合金箔的力學(xué)性能和軋制性能[6]。

圖4 0.04 mm厚8079鋁箔在不同溫度中間退火6 h后的SEM組織[6]Fig.4 SEM images of 0.04 mm-thick 8079 aluminum foil after intermediate annealing at different temperatures for 6 h

3.5 8079鋁合金熔體凈化工藝

對8079鋁合金這類高合金化的合金來說,熔體凈化[7]非常重要。圖5為一種新型的鋁熔體復(fù)合凈化裝置。作為熔體凈化核心的除氣和除渣環(huán)節(jié),它基本決定了8079鋁合金雙零鋁箔的針孔數(shù)量、大小及其分布特征。

圖5 鋁熔體新型復(fù)合凈化裝置Fig.5 New type of de-slagging equipment for melt purification

1)在線除氣

熔體中的氫是造成最終鋁箔針孔、孔洞及斷帶的主要因素。業(yè)內(nèi)標(biāo)桿企業(yè),尤其是主要面向出口的企業(yè),通過優(yōu)化除氣工藝和采用更為先進(jìn)的除氣設(shè)備,氫含量已經(jīng)能夠控制到(前箱)不超過0.10 mL/100 g Al。

2)在線除渣

在除氣的過程中可以除去大部分夾雜物,還需要進(jìn)行在線過濾除去微米級別的懸浮夾雜物。與2020年前普遍采用板式過濾設(shè)備不同,當(dāng)前行業(yè)標(biāo)桿企業(yè)在除渣上的典型做法是“板式過濾+管式過濾”的方法,過濾精度小于10 μm,這套方法不管是用在單面光的雙零箔坯料鑄軋,還是用到雙面光的薄規(guī)格(0.008 mm～0.020 mm)電池鋁箔坯料鑄軋,都表現(xiàn)出非常穩(wěn)定優(yōu)秀的熔體凈化效果。

3.6 表面質(zhì)量

8079鋁合金的表面控制與常規(guī)的1235鋁合金控制方法基本相同,這里只對鑄軋工序有別于1235鋁合金鑄軋板的控制細(xì)節(jié)進(jìn)行簡單說明:不同于1235鋁合金鑄軋卷,8079鋁合金的鑄軋溫度較高,鑄軋時(shí)為了防止鑄軋輥粘鋁等異常問題的出現(xiàn),現(xiàn)場操作人員一般都會調(diào)大燃燒布碳的天然氣火焰,這種情況在夏天的時(shí)候尤其容易出現(xiàn),從而導(dǎo)致鑄軋板在冷軋時(shí)出現(xiàn)明顯的表面浮灰或者暗道、暗影等表面缺陷,嚴(yán)重的時(shí)候,這種缺陷直至成品軋制時(shí)都不能完全消除。在進(jìn)行8079鋁合金鑄軋卷生產(chǎn)時(shí),需要特別關(guān)注軋輥清潔情況,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

4 結(jié) 論

1)鑄軋工藝生產(chǎn)8079鋁合金雙零鋁箔關(guān)鍵在于保證鑄軋組織的均勻以減少針孔數(shù)量,通過嚴(yán)格控制廢料回配比例以及細(xì)化劑的種類、質(zhì)量、添加時(shí)間來確保成分、組織的均勻。

2)通過熱處理工藝控制使非平衡相轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶庀?控制第二相化合物形態(tài)和尺寸,可以獲得力學(xué)性能穩(wěn)定的8079鋁合金雙零鋁箔。

3)鑄軋調(diào)大布碳的天然氣火焰會導(dǎo)致鑄軋板在冷軋時(shí)出現(xiàn)明顯的表面浮灰或者暗道、暗影等表面缺陷,應(yīng)保持鑄軋輥清潔。加強(qiáng)熔體凈化,除去鋁熔體中的氫及金屬和非金屬夾雜物,可使8079鋁合金雙零鋁箔的針孔數(shù)量減少,尺寸變小。